JP2000169976A

JP2000169976A - 高張力鋼板及び溶接方法

Info

Publication number: JP2000169976A
Application number: JP10343385A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Otani; 忠幸大谷; Ken Sasabe; 雀部　　謙
Original assignee: National Research Institute for Metals; Nippon Steel Corp
Current assignee: National Research Institute for Metals; Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2000-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接時に溶融部の形成を最小限に抑え、高張
力鋼板を接合可能とする。【解決手段】表裏面の少なくとも一面に、電気抵抗率
が高張力鋼板より大きい導体、半導体、又はその酸化物
からなる皮膜が形成された高張力鋼板の２枚をその皮膜
側において重ね合わせ、ピーク電流値が１５〜３０kAの
溶接電流を通電時間 1.0〜 5.0msecの範囲内に通電し、
溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、高張力鋼
板及び溶接方法に関するものである。さらに詳しくは、
この出願の発明は、抵抗溶接性に優れた高張力鋼板及び
溶接方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、衝突安全性等を向上させるための
自動車装備の充実に伴って、自動車はその車体重量を増
しているが、燃費向上のために軽量化への取り組みがま
た必要となっている。この軽量化を進めるに当たって
は、動力性能、操縦安定性、安全性、乗り心地、騒音、
振動等の他の性能とのトータルバランスが要求される。
そこで、考えられているのが次の３つのアプローチであ
る。

【０００３】設計変更剛性を損なわない範囲内での鋼板板厚の減少軽量化材料の導入この中で一般的なのが、上記の鋼板板厚の減少であ
り、高張力鋼板の使用による薄板化が考えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高張力
鋼板の使用は、一方でスポット溶接等の利用加工技術の
難易度を高くする。このため、現在自動車メーカで適用
が検討されている高張力鋼板は、６０kgf/mm²級にとど
まっている。そこで、Ｃ、Ｓｉ等を添加し、炭素等量を
高めることにより高強度化を実現した高張力鋼板が開発
されはじめているが、この高炭素等量の高張力鋼板の場
合には、スポット溶接により溶接部が急冷組織となり、
硬化して脆化するという問題がある。逆に炭素等量を低
く抑え、金属組織の微細化により高強度化を実現した高
張力鋼板も知られている。しかしながら、低炭素等量の
高張力鋼板をスポット溶接すると、微細化した組織が溶
融し、溶接部、熱影響部ともに粗粒化するとともに、こ
れを再度微細化することができず、また、熱影響部が軟
化もするため、溶接継手としての強度を確保することが
できない。

【０００５】前者の問題に対しては、溶接通電後、テン
パー処理を目的として後熱通電で焼戻しをし、溶接部を
軟化させることが提案されている（溶接全書８「抵抗溶
接」（産報出版株式会社）等）。だが、この場合には、
テンパー処理に最適な電流範囲が極めて狭いという問題
がある。また、スポット溶接電極が損耗し、接触面積が
増加した時に同一電流密度を確保するためには、テンパ
ー処理電流を微調整する必要があった。このため、一般
的な方法とはなり得ていないのが現状である。

【０００６】後者の問題に対しては、その解決方法は未
だ見出されていない。この出願の発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、従来の高張力鋼板の
溶接について欠点を解消し、溶接時に溶融部の形成が最
小限に抑制され、接合可能となる高張力鋼板及び溶接方
法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するも
のとして、この出願の請求項１に係る発明は、高張力鋼
板の表裏面の少なくとも一面に、電気抵抗率が高張力鋼
板より大きい導体、半導体、又はその酸化物からなる皮
膜が形成されたことを特徴とする高張力鋼板を提供す
る。

【０００８】この出願は、上記請求項１に係る発明にお
いて、皮膜が形成された高張力鋼板の接触抵抗が５ｍΩ
以上であること（請求項２に係る発明）、並びに、皮膜
が、Ｔｉ、Ｓｉ、又はＳｉＯ₂のいずれか一種からなる
こと（請求項３に係る発明）を好ましい態様として提供
する。この出願の請求項４に係る発明は、表裏面の少な
くとも一面に、電気抵抗率が高張力鋼板より大きい導
体、半導体、又はその酸化物からなる皮膜が形成された
高張力鋼板の２枚をその皮膜側において重ね合わせ、ピ
ーク電流値が１５〜３０kAの溶接電流を通電時間 1.0〜
5.0msecの範囲内に通電し、溶接することを特徴とする
高張力鋼板の溶接方法を提供する。

【０００９】また、この出願は、上記請求項４に係る発
明において、皮膜が形成された高張力鋼板の接触抵抗が
５ｍΩ以上であること（請求項５に係る発明）、並び
に、皮膜が、Ｔｉ、Ｓｉ、又はＳｉＯ₂のいずれか一種
からなること（請求項６に係る発明）を好ましい態様と
して提供する。そして、この出願の請求項７に係る発明
は、２枚の高張力鋼板の間に、電気抵抗率が高張力鋼板
より大きい導体、半導体、又はそれら酸化物からなる薄
膜を配置し、ピーク電流値が１５〜３０kAの溶接電流を
通電時間 1.0〜 5.0msecの範囲内に通電し、溶接するこ
とを特徴とする高張力鋼板の溶接方法を提供する。

【００１０】さらにまたこの出願は、請求項７に係る発
明において、高張力鋼板及び薄膜による接触抵抗が５ｍ
Ω以上であること（請求項８に係る発明）、並びに、薄
膜が、Ｔｉ、Ｓｉ、又はＳｉＯ₂のいずれか一種からな
ること（請求項９に係る発明）を好ましい態様として提
供する。以下実施例を示しつつ、この出願の発明の高張
力鋼板及び抵抗溶接方法についてさらに詳しく説明す
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】この出願の発明の高張力鋼板は、
溶接時形成される溶融部を最小限に抑え、接合可能とな
るという目的を達成するために、表裏面の少なくとも一
面に、電気抵抗率が鋼板より大きい導体、半導体、又は
それら酸化物からなる皮膜が形成されたものである。こ
のような皮膜を有する高張力鋼板を２枚皮膜側において
重ね合わせ、たとえば図１に示したようにスポット溶接
すると、皮膜を持たない高張力鋼板と比較して接合界面
の温度上昇が促進される。

【００１２】図１は、通常のスポット溶接の一形態を概
念的に示した断面図である。スポット溶接は、いわゆる
抵抗溶接の一形態である。また、通常のスポット溶接で
は、たとえば板厚 0.8mmとした２枚の高張力鋼板（１）
をクロム銅電極等の電極（２）間に、たとえば200kgfの
電極加圧力（Ｐ）をかけて挟み、８kA程度の溶接電流
（Ｉ）を2000msec程度の短時間通電する。この通電の結
果、接合部には、ナゲットと呼ばれる溶融部（１ａ）
と、コロナボンドと呼ばれる圧接部（１ｂ）が形成され
る。

【００１３】この出願の発明の高張力鋼板は、上記の通
りの皮膜を有するため、一度界面の温度が上昇すると、
その部分の電気抵抗率が温度曲線に沿ってさらに上昇
し、界面は雪崩れ的に温度上昇する。このような皮膜の
形成は、高張力鋼板の接触抵抗を操作していると見るこ
ともできる。ここで、接触抵抗は、集中抵抗と皮膜抵抗
の和として表わされる。集中抵抗は、高張力鋼板の表面
形状で決定され、皮膜抵抗は、皮膜の電気抵抗率と厚さ
の積で与えられる物理量である。高張力鋼板の表面形状
を一定とした場合には、接触抵抗は、皮膜の種類と厚さ
により一義的に決まる。高張力鋼板の主成分である鉄よ
り電気抵抗率が高いものは、導体ではチタン、半導体で
はシリコン、酸化物では酸化シリコンが代表的なものと
して例示される。これらの導体、半導体、又はその酸化
物からなる皮膜が形成された高張力鋼板は、皮膜を持た
ない従来の高張力鋼板と比較して高い接触抵抗を有す
る。

【００１４】接触抵抗が高くなるほど、所定の接合強度
を実現するのに必要な溶接電流が低電流側にシフトする
ことが実験結果から確認される。この事実から、接触抵
抗の増加に伴い、バルクの発熱が抑えられ、接合界面の
みが温度上昇すると考えられる。したがって、高張力鋼
板の表裏面の少なくとも一面に電気抵抗率が鋼板より大
きな導体、半導体、又はその酸化物からなる皮膜を形成
することにより、接合界面の発熱をコントロールするこ
とが可能となり、溶接時に形成される溶融部は、図１に
示したように、接合界面の極近傍にのみ形成され、縮小
し、薄い溶け込みに抑えられる。この効果は、接触抵抗
が５ｍΩ以上で顕著に認められ、接合部における高張力
鋼板の溶け込みは十分に薄くなる。

【００１５】上記皮膜は、蒸着、スパッタリング等の物
理的手法により形成することができる他、めっき等の化
学的手法によっても同様に形成することができる。その
形成方式には特に制限はない。皮膜を形成する高張力鋼
板には、従来の高張力鋼板を採用することができ、ま
た、高低いずれの炭素等量を有する高強度化の実現を図
った高張力鋼板を採用することもできる。中でも、高強
度を実現し、かつ溶接継手の強度確保にも有効な、合金
成分であるＣ、Ｓｉ、及びＣｒを炭素等量Ｃeqで０＜Ｃ
eq＜0.1 となる範囲に含有し（ただし、Ｃeq＝Ｃ＋1/40
Ｓｉ＋1/20Ｃｒ（単位は重量％）、結晶粒径が２μｍ以
下の微細構造を有する、引張強度６０kgf/mm²以上の高
張力鋼板は、これが有する上記特長をも発揮できるの
で、特に好ましいものとして例示される。

【００１６】一方、接触抵抗は、一般に、数msecで消失
すると言われている。したがって、通電時間が 200msec
程度である通常のスポット溶接では、接触抵抗が消失し
た後にも通電されるため、接触抵抗型の溶融部以外に、
熱伝導型の溶け込みの深い溶融部が形成されることとな
る。そこで、この出願の発明では、溶接に際しては、通
電時間を少なくとも 1.0msecとし、一方、上限は 5.0ms
ecとする。このように通電時間を 5.0msecまでとするこ
とにより、接合部における高張力鋼板の溶け込みをより
効果的に抑えることができ、溶接による溶融部と熱影響
部を最小限に抑えることができる。溶け込みを、溶け込
み厚さを溶接部の全板厚で除して算出することのできる
溶け込み率で評価すると、溶け込み率は３０％以下であ
ることが好ましく、これは、通電時間1.0〜5.0msec に
おいて実現される。好ましくは、通電時間は 1.0〜2.0m
sec である。この場合には、接触抵抗による発熱をより
効果的に溶接に利用することが可能となる。

【００１７】また、溶接電流については、そのピーク電
流値を１５〜３０kAとする。この範囲未満の場合には、
接合部に十分な強度が得られず、超える場合にはチリ不
良等が発生し、十分な接合状態が得られない。なお、こ
の出願の発明は、上記の通りに、皮膜を持たない従来の
高張力鋼板をそのまま用い、溶接時に形成される溶融部
を最小限に抑制しつつ接合する溶接方法をも提供するこ
とができる。

【００１８】この溶接方法は、２枚の高張力鋼板の間に
上記した皮膜と同様な電気抵抗率を有する導体、半導
体、又はその酸化物からなる薄膜を配置することにより
実現される。このように薄膜が２枚の高張力鋼板の間に
配置された状態は、あたかも皮膜が形成された２枚高張
力鋼板をその皮膜側において重ね合わせた状態に匹敵す
る。このため、従来の高張力鋼板ではあっても、溶接時
に形成される溶融部は最小限に抑制され、十分な接合強
度が得られる。

【００１９】なお、この場合の接触抵抗は、高張力鋼板
及び配置した薄膜によるものとして規定することができ
る。次にこの出願の発明の高張力鋼板及び溶接方法の実
施例を示す。

【００２０】

【実施例】（実施例１〜５、比較例１〜４）結晶粒径２
μｍで、厚さ１mmの高張力鋼板の表面に、以下に示すス
パッタリング条件で膜厚 0.5μｍのシリコン皮膜を形成
した。＜スパッタリング条件＞・真空度６×１０^-3Pa ・Ａｒガス・陽極電圧 2.9kV ・陽極電流 0.17A ・進行波 400W ・反射波 140W ・スパッタリング時間３０分この高張力鋼板を２枚シリコン皮膜側において重ね合わ
せ、先端径 4.5mmのＣＦ型電極を用い、電極加圧力400k
gfでコンデンサースポット溶接した。その時の溶接条件
及び溶接結果は表１に示した通りである。

【００２１】

【表１】

【００２２】この表１から明らかなように、通電時間が
１〜５msec、溶接ピーク電流１５〜３０kAの範囲におい
て、溶け込み率３０％以下で高張力鋼板が溶接され、ま
た、破断形態が母材破断という十分な接合強度が実現さ
れた。（実施例６〜８、比較例５及び６）ヂュアルフェイズ
で、厚さ１mmの高張力鋼板の表面に、以下に示すスパッ
タリング条件で膜厚0.01μｍの酸化シリコン皮膜を形成
した。＜スパッタリング条件＞・真空度６×１０^-3Pa ・Ａｒ＋Ｏ₂ガス・陽極電圧 2.9kV ・陽極電流 0.17A ・進行波 400W ・反射波 140W ・スパッタリング時間２０秒この高張力鋼板を２枚シリコン皮膜側において重ね合わ
せ、先端径 4.5mmのＣＦ型電極を用い、電極加圧力400k
gfでコンデンサースポット溶接した。その時の溶接条件
及び溶接結果は表２に示した通りである。

【００２３】

【表２】

【００２４】この表２から明らかなように、通電時間が
１〜５msecの範囲において、溶け込み率３０％以下で高
張力鋼板が溶接され、また、破断形態が母材破断という
十分な接合強度が実現された。もちろんこの出願の発明
は、以上の実施例によって限定されるものではない。高
張力鋼板自体の組成、結晶粒径等、また、皮膜の種類、
膜厚等の細部については様々な態様が可能であることは
言うまでもない。

【００２５】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この出願の発
明によって、溶接時の接合界面の発熱をコントロールす
ることができ、接合部の熱影響を最小限に抑えることが
できる。母材組織に与えるダメージが抑制される。高低
いずれの炭素等量とした高強度化された高張力鋼板も溶
接は容易となり、十分な接合強度が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常のスポット溶接の一形態を概念的に示した
断面図である。

【符号の説明】

１高張力鋼板１ａ溶融部１ｂ圧接部２電極Ｐ電極加圧力Ｉ溶接電流

フロントページの続き (72)発明者雀部謙茨城県つくば市千現１丁目２番１号科学技術庁金属材料技術研究所内Ｆターム(参考） 4K044 AA02 AB02 BA02 BA14 BB01 BC08 CA13 CA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高張力鋼板の表裏面の少なくとも一面
に、電気抵抗率が高張力鋼板より大きい導体、半導体、
又はその酸化物からなる皮膜が形成されたことを特徴と
する高張力鋼板。
【請求項２】皮膜が形成された高張力鋼板の接触抵抗
が５ｍΩ以上である請求項１記載の高張力鋼板。
【請求項３】皮膜が、Ｔｉ、Ｓｉ、又はＳｉＯ₂のい
ずれか一種からなる請求項１又は２記載の高張力鋼板。
【請求項４】表裏面の少なくとも一面に、電気抵抗率
が高張力鋼板より大きい導体、半導体、又はその酸化物
からなる皮膜が形成された高張力鋼板の２枚をその皮膜
側において重ね合わせ、ピーク電流値が１５〜３０kAの
溶接電流を通電時間 1.0〜 5.0msecの範囲内に通電し、
溶接することを特徴とする高張力鋼板の溶接方法。
【請求項５】皮膜が形成された高張力鋼板の接触抵抗
が５ｍΩ以上である請求項４記載の高張力鋼板の溶接方
法。
【請求項６】皮膜が、Ｔｉ、Ｓｉ、又はＳｉＯ₂のい
ずれか一種からなる請求項４又は５記載の高張力鋼板の
溶接方法。
【請求項７】２枚の高張力鋼板の間に、電気抵抗率が
高張力鋼板より大きい導体、半導体、又はそれら酸化物
からなる薄膜を配置し、ピーク電流値が１５〜３０kAの
溶接電流を通電時間 1.0〜 5.0msecの範囲内に通電し、
溶接することを特徴とする高張力鋼板の溶接方法。
【請求項８】高張力鋼板及び薄膜による接触抵抗が５
ｍΩ以上である請求項７記載の高張力鋼板の溶接方法。
【請求項９】薄膜が、Ｔｉ、Ｓｉ、又はＳｉＯ₂のい
ずれか一種からなる請求項７又は８記載の高張力鋼板の
溶接方法。